对透过的物质具有选择性的薄膜称为半透膜.doc

对透过的物质具有选择性的薄膜称为半透膜。一般将只能透过溶剂而不能透过溶质的薄膜视为理想的半透膜。当把相同体积的稀溶液（如淡水）和浓液（如海水或盐水）分别置于一容器的两侧，中间用半透膜阻隔，稀溶液中的溶剂将自然的穿过半透膜，向浓溶液侧流动，浓溶液侧的液面会比稀溶液的液面高出一定高度，形成一个压力差，达到渗透平衡状态，此种压力差即为渗透压。渗透压的大小决定于浓液的种类，浓度和温度与半透膜的性质无关。若在浓溶液侧施加一个大于渗透压的压力时，浓溶液中的溶剂会向稀溶液流动，此种溶剂的流动方向与原来渗透的方向相反，这一过程称为反渗透。 反渗透是一种在压力驱动下，借助半透膜的选择截留作用，将溶液中的溶质与溶剂分闪的分离方法。目前被广泛的应用于各种液体的分离与浓缩。水处理工艺中，将水中无机离子、细菌、病毒、有机物及胶质等杂质去除，以获得高质量的水。 目前反渗透膜主要由二大类材料构成，一种是醋酸纤维（CA），一种是聚醯胺类（T.F.C）。 反渗透技术是一种先进的水处理技术，各国为了制造符合有关饮用水标准的饮水，越来越广泛的应用反渗透技术。世界卫生组织（WHO）制定有饮用水水质标准，各国的饮用水标准也有不同，其制定和实施往往也是由国家不同部门负责。以美国为例，一般是由美国环保署（E.P.A）负责此工作。而大家熟知的美国食品及药品署（F.D.A），只负责食品及药品方面，有关标准制定和实施，并不负责饮水方面的工作。 尽管美国环保署（E.P.A）负责饮用水方面的工作，但到目前为止，并没有一个正式可用于评价反渗透膜的安全可靠标准。美国国家卫生基金会（N.S.F）为美国一个非营利性团体，于一九九六年制定了一个标准来评估饮用水反渗透系统。据美国水质协会（W.Q.A）建议的饮用水处理技术，反渗透方法可用于去除水中的浊度、色度、硬度、镭、铀等放射元素，三卤甲院、石棉等致癌物质及各种无机离子，特别是对人体有害的锑、砷、钡、镉、铬、铜、铅、汞、镍、硒、铝、锰、锌、等金属离子及氰化物、亚硝酸根等化学物质。（返回） 反渗透的工作原理 反渗透技术是利用半透膜（R.O膜）以水压（或泵浦加压）使水由较高浓度的一方渗透到较低浓度的一方，利用孔径仅为1/10000um的R.O膜（相当于大肠杆菌大小的1/60000，病毒的1/3000），将现在社会工业污染物及重金属、细菌、病毒等大量混入水中的杂质全部清除，导电率在10us/cm（25度）以下，溶解性总固体含量小于3mg/1；从而达到规定的理化指标及卫生标准，产生至清至纯的水，是人体及时补充水份的最佳选择。由于R.O逆渗透技术生产的水纯净度是目前人类掌握的一切净水技术中最高的，纯净度几乎达到100%，所以人们称这种水为纯水。 选择吸附毛细流理论 该理论认为半透膜具有特异的选择吸附性能，她吸附水分子而排斥绝大多数溶质分子，所以在膜表面形成了一层纯粹由水分子组成的吸附层。通常认为，半透膜具有很小的孔隙，在压力（如浓差推动力或水压力）的作用下，吸附层中的水分子便透过孔隙，向膜的另一侧迁移，由此形成了渗透的毛细流运动。 该理论还认为，膜的透水性和对溶质的排斥性，主要和膜孔直径及纯水吸附层厚度的比值有关。设吸附层厚度为t,膜孔直径为d，比值为m=d/t,则当m越大时，透水性越大而对溶质的排斥性越小；反之，当m越小时，透水性越小,而对溶质的排斥性越大。通常认为，d=2t为临界状态，此时的排斥性和透水性都大，最适于水与溶质分离，这是的孔径称为临界孔径。临界孔径时，能同时获得大的透水性和对溶质的排斥性的原因，作如下解释，膜表面纯水吸附层的厚度为t,意味着膜对溶质的有效排斥范围为t。当膜孔小于2t时，整个膜孔面积都处于范围之内，因此溶质的透过率等于零；但由于膜孔太小，水的透过率也不大。当d=2t时，孔周膜质的排斥范围正好交汇于孔心，溶质透过率也仍等于零，但由于膜孔较前为大，透水率也随之增大。当d2t时，孔周膜质的排斥力达不到孔心，在孔心附近出现无排斥区域。比值m越达，无排斥区域面积越大。无排斥区域是溶质透过膜孔的通道；通道越大，溶质的透过率也越大。所以，当d2t后，虽然透水性良好，但对溶质的截留率会大大降低。（返回） 反渗透的由来 渗透现象是1748年法国Abble Nellet发现的，1950年由美国人Hassler提出反渗透设想。但，直至1960年美国科学家Loeb和DR.S.Sourirajan用CA研制成功第一张高分离效率和高透水量的反渗透膜后，反渗透膜分离才变为现实。 据说，反渗透现象1950年美国科学家DR.S.Sourirajan有一回无意发现海鸥在海上飞行时从海面啜起一大口海水，隔了几秒后吐出一小口的海水，而产生疑问，因为陆地上由肺呼吸的动物是绝对无法饮用高盐份的海水，经过解剖发现海鸥体内有一层薄膜，该薄膜非常精密，海水经由海鸥吸入体内后加压，再经由压力作用将水分子贯穿渗透过薄膜转化为淡水，而含有杂质及高浓缩盐份的海水则吐出嘴外，此即往后逆渗透法（REVERSEOSMOSIS简称R.O）的基本理论架构；并在1953年由University of Florida应用于海水淡化去除盐份设备，在1960年经美国联邦政府项目支助美国U.C.L.A大学医学院教授Dr.S.Sidney Lode配合Dr.S.Sourirajan博士着手研究逆渗透膜，一年约投入四亿美元经费研究，以运用于航天员使用，使太空般不用运载大量的饮用水升空，直到1960年后投入研究工作的学者、专家越来越多，使之参与量更加精进，从面解决了人类饮用水的难题。难怪Fritsh博士说：研究发明逆渗透膜等于是对人类的一大贡献，甚至于获得诺贝尔奖亦当之无愧。（返回） 反渗透在水处理中的应用 国内反渗透膜及其应用 我国从60年代中期开始研制反渗透膜，与国外起步时间相距不远，但由于原材料及基础工业条件限制，生产的膜元件性能偏低，生产成本高，还没有形成规模化生产。相比而言，我国的超滤、微滤膜研制虽晚于反渗透，始于70年代，但目前已发展到数百个生产厂。虽然有品种少、质量、性能不够完善等问题，但因价格低廉，不仅有效地阻挡了国外同类产品的大量流入，而且也扩大了应用范围。 国内反渗透应用始于70年代后期，最早多限于电子、半导体纯水，80年代以后逐渐扩大到电力及其它工业，90年代起在饮用水处理方面获得普及，现在反渗透已进入到家庭饮用纯水。最近三年是反渗透应用大发展阶段。根据保守的估计，各种反渗透膜元件1997年国内销售额在11.5亿人民币左右。随着国内几条引进行生产线的陆续开工生产，预计今后国产反渗透膜的市场份额会有上升。纵观国内反渗透应用市场，有以下几个特点： 1 大型反渗透装置集中于锅炉补给水用途 据不完全统计，我国已建成和在建的100吨/小时以上的反渗透装置已超过50套，但除少数电子等行业以外，大多数都集中于锅炉补给水用途。最早是火力发电厂，后来扩展到炼油、石化、化肥、化工等行业。其中最大规模为600吨/小时，估计本世纪内会出现超过1000吨/小时的超大型反渗透装置。国内在此领域已积累了丰富的设计、施工和运行经验，现国内承建过100吨/小时以上规模反渗透装置的水处理工程公司已超过10家。 2 饮用水处理应用限于中、小规模 在国外，100010000吨/小时规模的超大型反渗透或纳滤装置多用于城市供水系统，而国内在饮用水用途的反渗透装置还都是数十吨/小时以下的中、小规模。随着经济发展和膜技术的普及，这一领域的应用前景很大。 3 油田用水及废水处理应用还有待开发 由于这一领域的应用技术难度较高和经济成本原因，目前国内还处于研究、开发阶段，伴随石油工业发展和水再利用、环境保护呼声日益高涨，膜技术大量进入这一领域已为时不会太远，对膜厂家和工程公司也是一个绝佳的商业机会。 4 纳滤膜应用刚刚开始 纳滤膜在饮用水净化处理、污废水排放处理、各种水溶液的浓缩与精制领域的优越性虽然已逐渐为人们所认识，但由于膜成本较高和应用经验不足，国内在此领域还刚刚起步，预计今后会有很大发展。 国外反渗透及其应用 美国是反渗透膜技术的发明国和最大生产国，但日本作为后起之秀，现在的研制、开发能力已开始赶上和超过美国，例如1996年日东电工推出的ES20系列超低压膜代表了今天反渗透膜的最高水准，它已实现0.75Mpa压力下脱盐率99.7%，产水量0.8吨/平方米日。该公司1997年生产出的耐污染型低压反渗透膜LF10系列显示了反渗透膜开发的新方向。该膜在传统的芳香族聚酰胺膜表面复合上一层聚乙烯醇，既消除了膜表面的负电性又提高了膜的亲水性和耐氯性，从而大大提高了反渗透膜的抗污染性能。 目前国外反渗透膜的主要生产厂商均为美国和日本公司，其中美杜邦(Dupont)公司和日本东洋纺(oyobo)公司垄断了中空纤维反渗透膜的世界市场。卷式反渗透膜的主要厂商为7家，他们是： 美国Hydranautics公司，该公司于1987年成为日本日东工集团的全资子公司 日本日东电工(Nitto Denko)集团 美国Filmtec公司，该公司于1985年成为美国Dow Chemcal ( 陶氏化学 ) 公司的全资子公司 美国Fluid system公司，该公司现为美国KOCH公司的子公司 日本东丽(Toray)公司 美国Desel公司，该公司现为美国Osmonics公司的子公司 美国Trisep公司 美国、欧洲反渗透用途主要为各种工业用水及饮用水；中东、西班牙的海水淡化应用较多；日本主要用于半导体、电子；韩国、台湾除半导体、电子外，小型饮用纯水需求量很大。下面介绍美国饮用水用途膜分离应用情况： 美国除大量使用中、小型及家用反渗透系统外，还建有许多大型公共供水系统。1996年9月美国国立研究所曾以问卷调查方式统计了美国大型饮用水脱盐装置的状况。该调查发表了美国50个州中的21个州的以饮用水为目的的179家脱盐水厂的数据。结果表明这些装置总的产水能力为140万吨/日，各种脱盐方法在总装置产水能力中所占比重分别为：陆地水 ( 苦咸水 ) 反渗透47